Дальние корреляции и коллективность в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях

Иванов, Андрей Сергеевич

Дальние корреляции и коллективность в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Иванов, Андрей Сергеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.16 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Дальние корреляции и коллективность в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях»

Автореферат диссертации на тему "Дальние корреляции и коллективность в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях"

Г)

САНКТ - ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи 0 у ч О 1 ""

Иванов Андрей Сергеевич

Дальние корреляции и коллективность в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях

специальность 01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2010

2 О МЛП 2010

004602376

Работа выполнена в лаборатории физики сверхвысоких энергий НИИ физики им.В.А.Фока Санкт-Петербургского Государственного Университета

Научный руководитель кандидат физико-математических наук, Феофилов Григорий Александрович Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

Бердников Ярослав Александрович

доктор физико-математических наук, Балдин Антон Александрович

Ведущая организация Петербургский Институт Ядерной Физики им. Б.П.Константинова

Защита состоится "27"мая 2010г. в 13:00 на заседании Совета Д212.232.16 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском Государственном Университете по адресу 199034, г.Санкт-Петербург, Университетская наб., д 7/9, Циклотронная лаборатория, ауд. 302.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Университета.

Автореферат разослан ¿^"апреля 2010г. Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

Власников А.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Доступные в настоящее время экспериментальные данные по протон-ядерным и ядро-ядерным столкновениям при релятивистских энергиях указывают на новые эффекты, не наблюдаемые в протон-протонных взаимодействиях. На спектр частиц, образующихся в ядро-ядерных столкновениях, оказывают влияние различные процессы, относящиеся как к начальному, так и к конечному этапу взаимодействия, включая возможное образование кварк-глюонной плазмы (КГП).

К явлениям, которые могут определять начальные моменты столкновения релятивистских адронов и условия для последующего возникновения КГП, можно отнести процессы образования кварк-глюонных струн, позволяющие описать большинство эффектов, наблюдаемых в мягкой части спектра поперечных импульсов в протон-протонных столкновениях. С увеличением энергии столкновения и/или массы сталкивающихся ядер ожидается рост плотности струн в поперечной плоскости, что приводит к необходимости рассматривать также возможное взаимодействие между струнами [1] в виде их слияния или перколяции. Важным следствием модели слияния струн [2] является предсказание корреляций между основными наблюдаемыми величинами, такими как множественность и средний поперечный импульс, измеренными в разнесенных по быстроте интервалах -дальних корреляций.

Экспериментальные исследования данных корреляционных эффектов в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях при энергиях БАК, вошедшие в экспериментальную программу коллаборации ALICE, позволят получить дополнительную информацию о процессах взаимодействия струн.

Теоретические исследования дальних корреляций в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях [3] показывают зависимость коэффициентов корреляции в том числе и от дисперсии числа струн. В случае тяжелоионных взаимодействий число струн в большой степени определяется геометрическими параметрами каждого столкновения такими как прицельный параметр и число нуклонов - участников (Nw ). вычисляемое в модели Глаубера. Определение Nw посредством измерения числа нуклонов - спектаторов калориметрами является единственным прямым методом получения информации о геометрии столкновения в эксперименте. Детальное исследование дисперсии Nw и прицельного параметра, а также их взаимной корреляции, является важным этапом интерпретации экспериментальных данных по дальним корреляциям в ядро-ядерных взаимодействиях.

Актуальность темы данных исследований определяется тем, что детальные исследования дальних корреляций в рамках современного эксперимента позволят существенно

расширить представления о процессах протон-протонных и ядро ядерных столкновений и исследовать начальные этапы образования КГП, а также привести к открытию нового физического явления слияния кварк-глюонных струн.

Цель работы

Основными целями данной диссертационной работы являются:

1. Модификация модели Глаубера для ядро-ядерных взаимодействий [4] с целью получения описания полной множественности заряженных частиц в протон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействиях, а также эффекта Nw -скэйлинга, в рамках картины последовательных нуклон-нуклонных взаимодействий. Данная модель может быть использована для получения уточненных значений дисперсии Nw и прицельного параметра.

2. Разработка методики анализа экспериментальных данных коллаборации ALICE по протон-протонным и ядро-ядерным взаимодействиям для поиска корреляций между основными наблюдаемыми величинами в разнесенных быстротных окнах, а также применение данной методики к анализу данных по протон-протонным столкновениям при энергии ЭООГэВ.

Научная новизна результатов

1. Предложена оригинальная модель взаимодействия тяжелых ионов на основе гипотезы потери лидирующей частицой фиксированной доли импульса в последовательных элементарных столкновениях ("Модифицированная глауберовская модель").

2. В рамках данной модели получено описание экспериментальных данных по общей множественности заряженных частиц для PbPb,AuAu,dAu и рХе столкновений при энергиях от AGS до RHIC.

3. Получено описание эффекта масштабирования общей множественности заряженных частиц в дейтрон-ядерных и ядро-ядерных столкновениях при энергиях коллайдера RHIC.

4. Определены условия отбора событий и треков, обеспечивающие оптимальное извлечение информации о корреляционных зависимостях из экспериментальных данных ALICE по протон-протонным столкновениям при энергии 900 ГэВ.

5. Впервые получены экспериментальные данные по корреляциям Nch — No, , Pt - Nch и Pt—Pt в разнесенных по псевдобыстроте окнах для протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ.

Научная и практическая значимость работы Полученные данные по Na, — , pt — Nch и Pt—Pt корреляциям в разнесенных по псевдобыстроте окнах для протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ являются новым экспериментальным результатом. Разработанная в данной работе методика позволит произвести анализ эффекта дальних корреляций на основе экспериментальных данных колаборации ALICE по РЬРЬ столкновениям, ожидаемых в 2010г. Полученные на основе гипотезы потери лидирующей частицей фиксированной доли импульса уточненные значения дисперсий Nmi и Nw позволят произвести сравнение с теоретическими моделями, использующими эти величины для вычисления числа струн. Детальное изучение дальних корреляций в ядро-ядерных столкновениях при энергиях LHC позволит получить информацию о процессе слияния хромодинамических струн.

Апробация Результаты работы неоднократно докладывались на семинарах кафедры ядерной физики и физики высоких энергий и элементарных частиц Санкт-Петербургского Государственного Университета, а также на рабочих совещаниях коллабо-рации ALICE в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN) в Женеве (Швейцария 2006,2007,2008,2010 г.) , на международном семинаре "Focus on multiplicity's Бари (Италия, июнь 2004 г.), на международном научно-практическом семинаре "Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах"в Санкт-Петербурге (Россия декабрь 2006 г.), на конференциях "Распределенные вычисления в науке и образовании'^ ОИЯИ.г.Дубна (2006,2008), на Балдинском семинаре в Объединенном Институте Ядерных Исследований в Дубне (Россия 2006, 2008 г.), а также международном семинаре "Particle Correlations and Femtoscopy"b ЦЕРН (2009г.)

Публикации по теме диссертации

1. The ALICE Collaboration,First proton-proton collisions at the LHC as observed with the ALICE detector: measurement of the charged-particle pseudorapidity density at -fs = 900 GeV // Eur. Phys. J. С (2010) 65: 111-125

2. The ALICE Collaboration , The ALICE experiment at the CERN LHC // 2008 JINST 3 S08002

3. G.Feofilov and A.Ivanov, Number of nucleon-nucleon collisions vs. energy in modified Glauber calculations // Journal of Physics G CS, 5, (2005)230-237

4. Иванов А. С., Феофилов Г. А. Множественное рождение заряженных частиц в зависимости от центральности рА и АА-столкновений при энергиях от 19 до 200 ГэВ на нуклон и прогноз для ALICE на БАК // Вестник СПбГУ, Сер. 4, 2009, Вып. 3, 117

The ALICE Collaboration, ALICE: Physics Performance Report, Volume II. Section: Long-range correlations // Journal of Physics G, Nuclear and Particle Physics, Vol 32 Number 10 October 2006, p. 1749-1750

G. Feofilov, A. Ivanov, Multiparticle production in pA and AA collisions in the framework of modified Glauber model // Proceedings of the XVII International Baldin Seminar of High Energy Physics Problems (Dubna, September 2006) Vol 2, p95-100

A. Asryan, G. Feofilov, A.Grebenyuck, A. Ivanov, V. Vechernin,Long-range multiplicity correlation for pp collisions in ALICE at LHC// Proceedings of the XIX International Baldin Seminar of High Energy Physics Problems (Dubna, September 2008) Vol 2 p.208-214

Асрян А.Г., Галюк Ю.П., Зароченцев А.К., Иванов А.С., Немнюгин С.А., Фе-офилов Г.А., Моделирование и обработка данных в физике высоких энергий и квантовой химии в среде ARC (Nordugrid)// Материалы шестого международного научно-практического семинара "Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах Санкт-Петербург, 12-17 декабря 2006 г., с. 38-45.

G.A.Feofilov, A.S.Ivanov, P.A.Naumenko, A.K.Zarochentsev, University cluster RU-SPBSU integrated into russian segment of WLCG: installation and performance // Proceedings of Third international Conference "Distributed Computing and GRID-technologies in science and education" , Dubna, July 4, 2008, pl48-151

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 121 страницу, 18 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 53 наименования.

Вклад автора

Автором разработана модель взаимодействия тяжелых ионов на основе гипотезы потери лидирующей частицой фиксированной доли импульса в последовательных элементарных столкновениях ("Модифицированная глауберовская модель") и проведены численные расчеты в рамках данной модели.

Автору принадлежит разработка методик и ПО анализа экспериментальных данных коллаборации ALICE для поиска и исследования эффекта дальних корреляций за исключением основополагающих идей и алгоритмов постобработки двумерных гистограмм. Применение данной методики к анализу данных по протон-протонным столкновениям при энергии ЭООГэВ и определение условия отбора событий и треков, обеспечивающие опти-

мальное извлечение информации о корреляционных зависимостях из экспериментальных данных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования.

В первой главе представлен краткий обзор теоретических работ по струнной модели и эффектам взаимодействия струн. В данном обзоре приведены основные закономерности в поведении глобальных наблюдаемых величин, возникающие при взаимодействии струн в виде их слияния или перколяции в модели [2], приводящие к корреляциям основных наблюдаемых величин (Л^ — ЛГгЛ , ¡н — ¡^л > Рг — Рь ) в разнесенных по быстроте окнах. Приведены основные теоретические результаты, обосновывающие необходимость рассмотрения эффектов взаимодействия струн при росте их плотности в поперечном сечении взаимодействия при росте энергии и массы сталкивающихся ядер, а также связь коэффициентов корреляции с флуктуациями Ыуг , обусловленными геометрическими параметрами ядро-ядерных столкновений.

В главе 1 также дается обзор существующих экспериментальных данных по р( — N^1 корреляциям.

Во второй главе представлена разработанная модель взаимодействия тяжелых ионов на основе гипотезы потери лидирующей частицей фиксированной доли импульса в последовательных элементарных столкновениях (МГМ). Данная модель является расширением Глауберовской модели для ядро-ядерных столкновений, широко использующейся для оценки центральности в экспериментальной физике высоких энергий. В основу модификации положена концепция эффективного учета закона сохранения энергии в рамках нуклон-нуклонной картины взаимодействия. Было сделано предположение, что лидирующая частица теряет фиксированную для всех энергий долю момента 1 — К в каждом последовательном столкновении. Необходимо также учесть, что лидирующие частицы также вносят свой вклад в общую множественность, наблюдаемую в эксперименте. При вычислении общей множественности в последовательных элементарных столкновениях эти вклады будут учтены столько раз, сколько столкновений испытал данный нуклон. В данной работе взято значение вклада лидирующих частиц в общую множественность М%Г1еаата = 2 в соответствии со значением 2.03 ±0.57, полученным в работе [5]. Сечения элементарных столкновений и их множественности в зависимости от энергии каждого нуклон-нуклонного столкновения берутся из аппроксимации известных экспериментальных данных по рр и рр взаимодействиям.

Для подбора параметра К в широком диапазоне энергий использовалась сводка экспериментальных данных [6] по полной множественности заряженных частиц , отнесенной к числу "раненых"нуклонов Ы\цг , в центральных в РЬ-РЬ и Аи-Аи столкновениях в диапазоне от 4 до 200 ГэВ. При подборе оптимального значения К наилучшее описание экспериментальных данных было достигнуто при К = 0.35 Рис 1.

Рис. 1: Полная множественность заряженных частиц в центральных столкновениях РЬ-РЬ и Au-Au, нормированная на число Nw , как функция энергии столкновения. Точками обозначены экспериментальные данные [6], сплошная кривая - модифицированная Глау-беровская модель с К=0.35

Данная модель с К = 0.35 позволяет описать основные закономерности в поведении полной множественности для ядро-ядерных и протон-ядерных столкновений, такие как множественность заряженных частиц для центральных РЬРЬ,АиАи столкновений при энергиях от AGS до RHIC, а также масштабирование полной множественности заряженных частиц в протон-ядерных, дейтрон-ядерных и ядро-ядерных столкновениях с числом нуклонов-учатников столкновения.

На Рис. 2 представлены данные сравнения расчетов по Модифицированной Глауберов-ской модели с экспериментальными данными протон-ядерных столкновений р - Хе [8] при энергии 19.4 ГэВ в системе ЦМ нуклон-нуклонного столкновения, а также с экспериментальными данными по столкновению дейтронов с золотом d — Au [6] при энергии 200 ГэВ в системе ЦМ. МГМ показала хорошее согласие с экспериментом в обоих случаях.

5 z ю

о 20

|TîltHf±iU62-4GeV

19.6 GeV

0 200 400 Nw

15 20

Рис. 2: Зависимость ЯА = Ы^/И™ от Рис. 3: Зависимость выхода заряженных

в столкновениях р-ХенЛ-Аи. Экс- частиц от числа участников Л^ в Аи -

периментальные данные по й - Аи из ра- Аи столкновениях. На графике представ-

боты [7] обозначены А .данные по р-Хе из лены экспериментальные данные 1Ш1С

работы [8] обозначены ■. Точечная кри- [6] для энергий 200,130,62.4 и 19.6

вая - стандартная Глауберовская модель; СеУ*А.Сплошные кривые - Модифициро-

Сплошная кривая - предсказания МГМ. ванная Глауберовская модель с к = 0.35

Также проведены расчеты зависимости выхода заряженных частиц в зависимости от числа раненых нуклонов в АиАи столкновениях для энергий RHIC 19.6, 130 и 200 ГэВ. Эти расчеты позволяют описать хорошо известную картину так называемого "Nw -скэйлинга" [6] (пропорциональности общей множественности заряженных частиц числу «раненых» нуклонов - участников столкновения) (Рис. 3).

В отличие от стандартной Глауберовской модели, по определению дающей пропорциональность множественности Nd , МГМ позволяет описать полную множественность в ядро-ядерных и протон-ядерных столкновениях при энергиях -у/3 от 2 до 200 ГэВ на нук-лонную пару. За счет введенного выше эффективного учета сохранения энергии с одним модельным параметром, удается получить качественное описание экспериментально наблюдаемого эффекта Nw -скэйлинга как для протон-ядерных, так и для ядро-ядерных взаимодействий.

для соответствующих энергий

Данная модель может быть использована для уточненного определения флуктуаций числа нуклон-нуклонных столкновений Na,i и числа нуклонов-участников Nw , обусловленных геометрическими параметрами ядро-ядерных столкновений.

В третьей главе дается описание разработанной методики анализа экспериментальных данных коллаборации ALICE для получения корреляционных зависимостей Nch - Nch Pt - Na и Pt - Pt в разнесенных по псевдобыстроте окнах. Приведено краткое описание экспериментальной установки ALICE на БАК. Рассмотрены основные параметры детектора относительно определения дальних корреляций для таких наблюдаемых величин, как средний поперечный импульс и множественность частиц, в зависимости от положения и ширины пседобыстротных окон. Дано описание предоставляемых коллабора-цией методов и программного обеспечения для моделирования процессов взаимодействия вторичных частиц с установкой и откликов детекторов, а также методов оценки качества критериев отбора событий и треков. Рассмотрены методики доступа к модельным и экспериментальным данным ALICE в рамках GRID системы AliEn и при помощи PROOF кластера коллаборации.

Для получения корреляционных зависимостей используется пособытийный анализ экспериментальных данных. В каждом событии для частиц, попавших в каждое окно, определяются множественность и средний поперечный импульс данного набора частиц. В анализе первых экспериментальных данных ALICE по протон-протонным столкновениям при энергии 900 ГэВ использованы данные внутренней трековой системы ITS и время-проекционной камеры ТРС.

Обрабатываемые экспериментальные данные проходят процедуру отбора событий и треков. Данная процедура включает в себя отбор событий по сигналам центрального триггера, дополнительные процедуры для исключения взаимодействий типа "пучок-газ"и дифракционных событий, а также отбор событий по критериям наличия реконструктивной первичной вершины взаимодействия и ее геометрическому положению. Отбор треков преследует две основные цели:

1. Исключение треков, определение параметров которых с достаточной точностью невозможно, а также треков, которые не могут быть с высокой вероятностью идентифицированы как трек одной частицы.

2. Исключение треков частиц, не являющихся первичными продуктами столкновения. К таким трекам относятся как продукты слабых распадов, так и частицы, образованные в результате взаимодействия первичных частиц с материалом установки.

Полученная информация накапливается в виде двумерных гистограмм Nevents(nf,nb),nevents(NF,< pi >в), Nments(< wt >f,<1h >в), где индексы F,B соответствуют обозначению псевдобыстротных окон (Forward,Backward). Также сохраняется дополнительная информация, необходимая для оценки погрешностей корреляционных кривых. Проекция данных гистограмм позволяет получить искомые функциональные зависимости для Nch — Nch , pt — Nch и pt —pt корреляций в следующем виде:

Nch - Nch - NNrd(^) =

ft - N* PtNrel( = ^gf-(^) (1)

Здесь усреднение в рамках одного события обозначается как х, а усреднение по всем обработанным событиям как < х >, < X >у - среднее значение величины X при условии, что величина Y = у.

Коэффициент Nch — Nd, корреляции для относительных переменных V$N определяется из линейной регрессии:

(2)

Аналогичным образом определяются коэффициенты (bplN,b$pt) для pt - AU и pt — pt корреляций.

В главе 3 представлена процедура проверки разработанной методики. Данная процедура заключается в использовании результатов двухстадийной системы моделирования, разработанной в коллаборации ALICE в рамках программного комплекса ALIROOT. На первом этапе происходит моделирование процесса взаимодействия протонов и генерируются вторичные частицы. В данном случае используются данные генератора PYTHIA при энергии ЭООГэВ. На втором этапе происходит моделирование взаимодействия вторичных частиц с детекторами, а также моделирование откликов детекторов и систем снятия данных. В результате второго этапа моделирования генерируются данные, аналогичные экспериментальным данным, получаемым установкой ALICE (ESD). Сравнение результатов первого и второго этапов моделирования позволяет определить оптимальные параметры для алгоритма обработки данных.

На основании данного метода выбраны основные границы диапазона измерения: |?;| < 0.8 и 0.3 < ft < 1.5 ГэВ. Также определены критерии отбора треков и интервал по г-координате первичной вершины —5.6 < zV < 6.1 см. На Рис.4 представлено сравнение Nch — Nch и pt — N^ корреляционных функций, полученных из обработки результатов моделирования протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ генератором PYTHIA

Рис. 4: Влияние установки на корреляционные кривые в диапазоне 0.3 < pt < 1.5 ГэВ. Данные набора LHC10a8 (PYTHIA 900 ГэВ). Обозначение "Kinematics"cooTBeTCTByeT данным генератора PYTHIA без учета установки (первый этап моделирования), обозначение "ESD"cooTBeTCTByeT второму этапу моделирования, включающему полную симуляцию откликов детекторов.

(LHC10a8). В интервале 0.3 <pt < 1.5 ГэВ. Nch-Nch и pt—Ndi корреляционные зависимости, полученные после моделирования откликов детектора, показывают хорошее согласие с первоначальными данными PYTHIA. Это позволяет утверждать, что использование относительных переменных делает корреляционные зависимости малочувствительными к абсолютной эффективности регистрации. Исключение из рассмотрения неравномерности эффективности в зоне pt < 0.3 ГэВ позволяет получить экспериментальные данные в диапазоне 0.3 < pt < 1.5 без введения модельно зависимых коэффициентов коррекции.

В четвертой главе представлены полученные экспериментальные данные по дальним корреляциям Nch - N^ , pt — Nch и pt —pt в pp столкновениях при энергии 900 ГэВ в зависимости от ширины псевдобыстротных окон и расстояния между ними. Кроме того, представлено сравнение полученных экспериментальных данных с результатами моделирования генератором PYTHIA.

Методика, описанная в главе 3, была успешно применена к обработке доступных на момент написания диссертации экспериментальных данных ALICE по протон-протонным столкновениям при энергии 900 ГэВ. В качестве наиболее подходящего набора данных, обеспечивающих одинаковую конфигурацию детекторов SPD и ТРС, а также центрального

Np/<NF> Np/<NF> Ptf/<PtF>

Рис. 5: Экспериментальные данные pp 900 ГэВ в центральной области псевдобыстроты. Окна Forward: -0.8 < ri < 0, Backward: 0 < rj < 0.8. Слева направо: Nch - NA , pt - N^ , pt — pt корреляционные зависимости в относительных переменных.

треггера, выбраны периоды 104867 и 104892, обеспечивающие 16613 и 75638 событий с выбранным триггером. Получены экспериментальные данные по всем типам дальних корреляций для окон Forward (-0.8 < rç < 0,0 < ф < 2ж) и Backward (0 < ij < 0.8,0 <ф< 2тг) для диапазона поперечных импульсов 0.3 < pt < 1.5 ГэВ, результаты представлены на Рис. 5.

Для экспериментальных данных рр при 900 ГэВ проведено также исследование зависимости коэффициентов N^ — N,л , pt — No, и pt — pt корреляций от ширины окна по ц и величины зазора между окнами. В данном исследовании используются окна, симметричные относительно ц = 0, величина зазора измеряется между центрами окон. Полученные экспериментальные данные показывают зависимость коэффициентов Nch — Ndi , Pi — N^ и Pt — Pt корреляции от ширины псевдобыстротных окон и зазора между ними. Существующая статистика позволяет достаточно надежно зафиксировать данную зависимость для Nch — Nçh, корреляции. Для получения уверенного экспериментального подтверждения зависимости коэффициентов pt — N,& и pt — pt корреляции от ширины окон и зазора между ними необходимо увеличить статистику на порядок для pt — Nch корреляции и на два по-

U U U U 1 1.1 M U <4 U U 1 U 1Л U M U U 1 ti 1*

Зазор между центрами окон

Рис. 6: Экспериментальные данные рр 900 ГэВ в центральной области псевдобыстроты. Зависимость коэффициентов корреляции brxlch_Nch,brpf_Nch,brpf_pt от ширины псевдобыст-ротных окон (Srj) и зазора между ними. Слева nzTi^zw.bT^ch_Nclt,br^_Nch,br^_pt, по оси X отложено расстояние между центрами окон в единицах т/

рядка для pt~pt ■ Сводные данные по зависимости коэффициентов корреляции от ширины псевдобыстротных окон и зазора между ними представлены на Рис.6.

Положения, выносимые на защиту:

1. Предложена оригинальная модель взаимодействия тяжелых ионов на основе гипотезы потери лидирующей частицей фиксированной доли импульса в последовательных элементарных нуклон-нуклонных столкновениях, позволяющая получить количественное описание экспериментальных данных по общей множественности заряженных частиц для центральных PbPb, AuAu, dAu и рХе столкновений при энергиях от AGS до RHIC.

2. Получено описание эффекта масштабирования общей множественности заряженных частиц в дейтрон-ядерных и ядро-ядерных столкновениях при энергиях коллайдера

RHIC в рамках гипотезы потери фиксированной доли импульса нуклона в упрощенной картине последовательных неупругих нуклон-нуклонных столкновений.

3. Получены первые экспериментальные данные по корреляциям No, — N^p,-N^pt — pt для заряженных частиц в раздельных псевдобыстротных интервалах (окнах) для протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ. Коэффициенты Nch — Nch,pt-N<i„Pt — Pt корреляции отличны от нуля при расстояниях между окнами не менее 1.4 единиц псевдобыстроты. Использование относительных переменных позволяет минимизировать влияние установки и определить коэффициенты корреляции в основной области исследований |г/| < 0.8,0.3 < pt < 1.5 с использованием данных детекторов ITS и ТРС.

Список литературы

[1] В.А. Абрамовский, О.В. Канчели, О расспределении множественности вторичных ад-ронов // Письма в ЖЭТФ, т.31, 566, 1980

[2] М. Braun and С. Pajares Nucl. A probabilistic model of interacting strings // Phys. B390(1993)542

[3] Вечернин В.В., Колеватов Р.С. Простая дискретная модель дальних корреляций множественности и pt при столкновениях ядер высоких энергий// Вестник Санкт-Петербургского Университета, серия 4 (Физика, Химия), вып. 2, 12, hep-ph/0304295

[4] Bialas A, Bleszynski М, Czyz W, Multiplicity distributions in nucleus-nucleus collisions at high energies // 1976 Nucl.Phys. Bill 461

[5] P.V. Chliapnikov, V.A. Uvarov,Universality in energy dependence of the average charged particle multiplicity for e+e- and p+-p collisions// Phys. Lett. B251, 192 (1990).

[61 B.Back et al. (PHOBOS),Comparison of the Total Charged-Partlcle Multiplicity in High-Energy Heavy Ion Collisions with e+e- and pp/pbar-p Data // arXiv:nucl-ex/0301017

[7] R.Nouicer (for the PHOBOS Collaboration), QM2005, Pseudorapidity Distributions of Charged Particles in d + Au and p + p Collisions at sqrt(s) = 200 GeV// arXiv:nucl-ex/0403033

[8] C.De Marzo et al., Dependence of multiplicity and rapidity distributions on the number of projectile collisions in 200-GeV/c proton-nucleus interactions // Phys.Rev.D, Vol, 29 No.11, (1984),2476-2482

Подписано в печать 20.04.2010. Формат 60x90/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,25 Тираж 100 экз. Заказ 174

Отпечатано в типографии ООО «Адмирал»

199048, Санкт-Петербург, В. О., 6-я линия, д. 59 корп. 1, оф. 40Н

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Иванов, Андрей Сергеевич

Введение

1 Коллективные и корреляционные эффекты в протон-протонных и ядро-ядерных взаимодействиях

1.1 Введение.

1.2 Струнная модель.

1.3 Слияние струн.

1.4 Корреляции множественности и среднего поперечного импульса в модели слияния струн

1.5 Корреляции рг — Л^ в нуклон-нуклонных столкновениях

1.6 Исследование эффектов взаимодействия струн при помощи дальних корреляций.

2 Определение числа нуклонов-участников в модифицированной модели Глаубера

2.1 Модель Глаубера как основа обработки экспериментальных данных тяжелоионных столкновений.

2.1.1 Основы модели Глаубера для ядро-ядерных столкновений

2.1.2 Глауберовская модель и определение центральности в эксперименте

2.2 Модифицированная модель Глаубера

2.2.1 Эффективный учет сохранения энергии.

2.2.2 Численная реализация модифицированной глауберовской модели

2.2.3 Определение параметра К.

2.3 Описание эффекта Nw -скэйлинга в рамках модифицированной глауберовской модели

2.3.1 Число нуклон-нуклонных столкновений

2.4 Физический смысл параметра К.

2.4.1 Эффективный учет закона сохранения энергии

2.4.2 Эффект Nw -скэйлинга в Модифицированной Глауберовской модели

2.5 Выводы к главе

3 Методика поиска корреляционных эффектов на основе экспериментальных данных коллаборации ALICE на БАК

3.1 Большой Адронный Коллайдер (BAK,LHC).

3.2 Экспериментальная установка ALICE.

3.3 Детекторы ALICE, используемые для определения дальних корреляций

3.4 Типы обрабатываемых данных: ESD, TAG, Kinematics

3.5 Моделирование экспериментальных данных ALICE.

3.6 GRID- система распределенного хранения и обработки экспериментальных данных Alien.*.

3.7 Определение измеряемых величин.

3.8 Пакет анализа дальних корреляций в AHROOT.

3.9 Накопление данных корреляционных зависимостей.

3.10 Обработка экспериментальных данных.

3.11 Определение пределов зоны отбора по pt.

3.12 Выводы к главе

4 Результаты и обсуждение модельных расчетов

4.1 Анализ экспериментальных данных ALICE рр 900 ГэВ.

4.2 Зависимость корреляций от ширины окон и зазора между ними

4.3 Выводы из главы 4.

Введение диссертация по физике, на тему "Дальние корреляции и коллективность в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях"

Актуальность работы

Доступные в настоящее время экспериментальные данные по протон-ядерным и ядро-ядерным столкновениям при релятивистских энергиях указывают на новые эффекты, ненаблюдаемые в протон-протонных взаимодействиях. На спектр частиц, образующихся в ядро-ядерных столкновениях, оказывают влияние различные процессы, относящиеся как к начальному, так и конечному этапу взаимодействия, включая возможное образование кварк-глюонной плазмы (КГП).

К явлениям, которые могут определять начальные моменты столкновения релятивистких адронов и условия для последующего возникновения КГП, можно отнести процессы образования кварк-глюонных струн, позволяющие описать большинство эффектов, наблюдаемых в мягкой части спектра поперечных импульсов в протон-протонных столкновениях. С увеличением энергии столкновения и/или массы сталкивающихся ядер ожидается рост плотности струн в поперечной плоскости, что приводит к необходимости рассматривать также возможное взаимодействие между струнами в виде их слияния или перколяции. Важным следствием модели слияния струн [11] является предсказание корреляций между основными наблюдаемыми величинами, такими как множественность и средний поперечный импульс, измеренными в разнесенных по быстроте интервалах -дальних корреляций.

Теоретические исследования дальних корреляций в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях [14] показывают зависимость коэффициентов корреляции, в том числе, и от дисперсии числа струн. В случае тяжелоионных взаимодействий число струн, в большой степени, определяется геометрическими параметрами каждого столкновения, такими как прицельный параметр и число нуклонов - участников (Nw ), вычисляемое в модели Глаубера. Определение Nw посредством измерения числа нуклонов - спектаторов калориметрами является единственным прямым методом получения информации о геометрии столкновения в эксперименте. Детальное исследование дисперсии Nw и прицельного параметра, а также их взаимной корреляции, является важным этапом интерпретации экспериментальных данных по дальним корреляциям в ядро-ядерных взаимодействиях.

Актуальность темы данных исследований определяется тем, что детальные исследования дальних корреляций в рамках современного эксперимента позволят существенно расширить представления о процессах протон-протонных и ядро-ядерных столкновений и исследовать начальные этапы образования КГП, а также привести к открытию нового физического явления слияния кварк-глюонных струн.

Цели и задачи работы

Основными целями данной диссертационной работы являются:

1. Модификация модели Глаубера для ядро-ядерных взаимодействий [34] с целью получения описания полной множественности заряженных частиц в протон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействиях, а также эффекта Nw -скэйлинга, в рамках картины последовательных нуклон-нуклонных взаимодействий. Данная модель может быть использована для получения уточненных значений дисперсии Nw и прицельного параметра.

2. Разработка методики анализа экспериментальных данных колла-борации ALICE по протон-протонным и ядро-ядерным взаимодействиям для поиска корреляций между основными наблюдаемыми величинами в разнесенных быстротных окнах, а также применение данной методики к анализу данных по протон-протонным столкновениям при энергии 900ГэВ.

Для достижения данной цели был сформулирован ряд задач, к ним относятся:

1. Анализ доступных экспериментальных данных RHIC по полной множественности заряженных частиц в AuAu столкновениях на основе как стандартной модели Глаубера, так и в рамках оригинальной модификации, основанной на гипотезе потери лидирующей частицей фиксированной доли импульса в последовательных элементарных столкновениях.

2. Подбор параметров модифицированной модели Глаубера с целью описания наблюдаемого в экспериментальных данных RHIC масштабирования полной множественности заряженных частиц с числом нуклонов-участников.

3. Разработка методики анализа экспериментальных данных по корреляциям Nch — Nch,pt — Nc^pt ~ Pt Для заряженных частиц в раздельных псевдобыстротных интервалах (окнах) для протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ в эксперименте ALICE на LHC.

4. Разработка ПО на основе систем GRID (LCG) и ROOT(AliROOT) и тестирование алгоритмов поиска дальних корреляций Nch — NchiPt — Nch,pt — Pt , предназначенных для анализа данных в раздельных псевдобыстротных интервалах (окнах) для протонпротонных и ядро-ядерных столкновениях в эксперименте ALICE на LHC .

5. Анализ первых экспериментальных данных по корреляциям Nch — NchiVt — NCh,pt — pt для заряженных частиц в раздельных псевдобыстротных интервалах (окнах) для протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ в эксперименте ALICE на LHC.

Научная новизна работы

2. В рамках данной модели получено описание экспериментальных данных по общей множественности заряженных частиц для РЪРЪ, AuAu,dAu и рХе столкновений при энергиях от AGS до RHIC.

5. Впервые получены экспериментальные данные по корреляциям Nch - Nch , pt — Nch и pt - pt в разнесенных по псевдобыстроте окнах для протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ.

Научная и практическая значимость работы

Полученные данные по Nch - Nch , pt - Nch и pt - Pt корреляциям в разнесенных по псевдобыстроте окнах для протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ являются новым экспериментальным результатом. Разработанная в данной работе методика позволит произвести анализ эффекта дальних корреляций на основе экспериментальных данных колаборации ALICE по РЪРЪ столкновениям, ожидаемых в 2010г. Полученные на основе гипотезы потери лидирующей частицей фиксированной доли импульса уточненные значения дисперсий Ncoi и Nw позволят произвести сравнение с теоретическими моделями, использующими эти величины для вычисления числа струн. Детальное изучение дальних корреляций в ядро-ядерных столкновениях при энергиях LHC позволит получить информацию о процессе слияния хромодинамических струн.

Апробация

Результаты работы неоднократно докладывались на семинарах кафедры ядерной физики и физики высоких энергий и элементарных частиц Санкт-Петербургского Государственного Университета, а также на рабочих совещаниях коллаборации ALICE в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN) в Женеве (Швейцария 2006,2007,2008,2010 г.) , на международном семинаре "Focus on multiplicitynB Бари (Италия, июнь 2004 г.), на международном научно-практическом семинаре "Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах"в Санкт-Петербурге (Россия, декабрь 2006 г.), на конференциях "Распределенные вычисления в науке и образовании"в ОИЯИ (Дубна 2006,2008г.), на Балдинском семинаре в Объединенном Институте Ядерных Исследований (Россия 2006, 2008 г.), а также международном семинаре "Particle Correlations and Femtoscopy'B ЦЕРН (2009г.)

Публикации по теме диссертации

1. The ALICE Collaboration,First proton-proton collisions at the LHC as observed with the ALICE detector: measurement of the charged-particle pseudorapidity density at л/s = 900 GeV // Eur. Phys. J. С (2010) 65: 111-125

2. The ALICE Collaboration , The ALICE experiment at the CERN LHC // 2008 JINST 3 S08002

3. G.Feofilov and A.Ivanov, Number of nucleon-nucleon collisions vs. energy in modified Glauber calculations // Journal of Physics G CS, 5, (2005)230-237

5. The ALICE Collaboration, ALICE: Physics Performance Report, Volume II. Section: Long-range correlations // Journal of Physics G, Nuclear and Particle Physics, Vol 32 Number 10 October 2006, p. 1749-1750

6. G. Feofilov, A. Ivanov, Multiparticle production in pA and AA collisions in the framework of modified Glauber model // Proceedings of the XVII International Baldin Seminar of High Energy Physics Problems (Dubna, September 2006) Vol 2, p95-100

7. A. Asryan, G. Feofilov, A.Grebenyuck, A. Ivanov, V. Vechernin, Long-range multiplicity correlation for pp collisions in ALICE at LHC// Proceedings of the XIX International Baldin Seminar of High Energy Physics Problems (Dubna, September 2008) Vol 2 p.208-214

8. Асрян А.Г., Галюк Ю.П., Зароченцев А.К., Иванов А.С., Немнюгин С.А., Феофилов Г.А., "Моделирование и обработка данных в физике высоких энергий и квантовой химии в среде

ARC (Nordugrid) Материалы шестого международного научно-практического семинара "Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах Санкт-Петербург, декабрь 2006 г., с. 38-45.

9. G.A.Feofilov, A.S.Ivanov, P.A.Naumenko, A.K.Zarochentsev, University cluster RU-SPBSU integrated into russian segment of WLCG: installation and performance // Proceedings of Third international Conférence "Distributed Computing and GRID-technologies in science and éducation Dubna, July 4, 2008, pl48-151

Вклад автора

Автором разработана модель взаимодействия тяжелых ионов на основе гипотезы потери лидирующей частицей фиксированной доли импульса в последовательных элементарных столкновениях ("Модифицированная глауберовская модель") а также проведены численные расчеты в рамках данной модели.

Автору принадлежит разработка методик и ПО анализа экспериментальных данных коллаборации ALICE для поиска и исследования эффекта дальних корреляций, за исключением основополагающих идей и алгоритмов постобработки двумерных гистограмм. А также применение данной методики к анализу данных по протон-протонным столкновениям при энергии 900ГэВ и определение условия отбора событий и треков, обеспечивающие оптимальное извлечение информации о корреляционных зависимостях из экспериментальных данных.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 121 страницу, 18 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 53 наименования.

Заключение диссертации по теме "Физика атомного ядра и элементарных частиц"

Итоги работы:

2. В рамках данной модели получено описание экспериментальных данных по общей множественности заряженных частиц для PbPb, АиАи, dAu и рХе столкновений при энергиях от AGS до RHIC в зависимости от числа нуклонов-участников.

4. Разработанная модель может быть использована для получения уточненных значений дисперсии Nw и прицельного параметра.

5. Разработаны методики и ПО для извлечения из экспериментальных данных ALICE информации о корреляциях Nch — Nch , pt — Nch и Pt~ Pt в разнесенных по псевдобыстроте окнах.

6. На основании использования результатов моделирования процессов взаимодействия частиц с установкой и откликов детекторов определены критерии отбора событий и треков, , обеспечивающие оптимальное извлечение информации о корреляционных зависимостях из экспериментальных данных ALICE рр 900 ГэВ.

7. Показано, что использование относительных переменных позволяет минимизировать влияние установки и определить коэффициенты корреляции в основной области исследований \г]\ < 0.8,0.3 < Pt < 1.5 на основе данных, получаемых с детекторов ITS и ТРС.

8. Впервые получены экспериментальные данные по корреляциям NCh — Nch,pt — NchiPt — Pt Для заряженных частиц в раздельных псевдобыстротных интервалах (окнах) для протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ.

9. Обнаружены отличные от нуля NCh — Nch , pt — Nch и pt — Pt корреляции в разнесенных по псевдобыстроте окнах.

10. Коэффициенты NCh — Nch ,pt — Nch ,pt — pt корреляции отличны от нуля в всем диапазоне псевдобыстроты, доступном для измерения используемыми детекторами (\rj\ < 0.8).

11. Коэффициенты Л^ — NCh,pt — Nch,pt — Pt корреляции отличны от нуля при расстояниях между окнами не менее 1.4 единиц псевдобыстроты.

12. Обнаружена зависимость коэффициента Nch — Nch корреляции от ширины псевдобыстротных окон и зазора между ними.

13. Обнаруженные корреляции свидетельствуют о возможных коллективных эффектах, связанных со слиянием цветных струн в протон-протонных столкновениях при энергиях 900ГэВ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Предложена оригинальная модель взаимодействия тяжелых ионов на основе гипотезы потери лидирующей частицей фиксированной доли импульса в последовательных элементарных нуклон-нуклонных столкновениях, позволяющая получить количественное описание экспериментальных данных по общей множественности заряженных частиц для центральных РЬРЬ, AuAu, dAu и рХе столкновений при энергиях от AGS до RHIC.

2. Получено описание эффекта масштабирования общей множественности заряженных частиц в дейтрон-ядерных и ядро-ядерных столкновениях при энергиях коллайдера RHIC в рамках гипотезы потери фиксированной доли импульса нуклона в упрощенной картине последовательных неупругих нуклон-нуклонных столкновений.

3. Получены первые экспериментальные данные по корреляциям Nch — Nch,Pt — Nch,pt — Pt Для заряженных частиц в раздельных псевдобыстротных интервалах (окнах) для протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ. Коэффициенты Л^ — Nch,pt — Nch,Pt — Pt корреляции отличны от нуля при расстояниях между окнами не менее 1.4 единиц псевдобыстроты. Использование относительных переменных позволяет минимизировать влияние установки и определить коэффициенты корреляции в основной области исследований \г]\ < 0.8,0.3 < pt < 1.5 с использованием данных детекторов ITS и ТРС.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Иванов, Андрей Сергеевич, Санкт-Петербург

1. Физика элементарных частиц, Окунь Л.Б., 2 изд., Москва, Наука 1988

2. Capella A and Krzywicki А 1978 Phys. Rev. D 18 4120

3. Capella A, Sukhatme U, Tan С I and Tran Thanh Van J 1979 Phys. Lett. В 81 68

4. Capella A, Sukhatme U, Tan С I and Tran Thanh Van J 1994 Phys. Rept. 236 225

5. Kaidalov А В 1982 Phys. Lett. В 116 459

6. Kaidalov А В and Ter-Martirosian К A 1982 Phys. Lett. В 117 247

7. K.A.Ter-Martirosyan, Nucl. Phys. В 36 (1972) 566

8. В. Anderson, G. Gustavson and C. Peterson, Z. Phys. CI (1979) 105

9. X. Artru and G. Mennessier Nucl. Phys. B70 (1974) 93

10. B.A. Абрамовский, О.В. Канчели, Письма в ЖЭТФ, т.31, 566, 1980

11. М. Braun and С. Pajares Nucl. Phys. B390(1993)542

12. M.A. Braun, С. Pajares and V. Vechernin, Phys. Lett. B493 (2000) 54

13. A. Bolokhov, M. Braun, G. Feofilov et al, CERN Internal Note/PHY ALICE-INT-2002-20 1.0

14. Вечернин В.В., Колеватов Р.С., Вестник Санкт-Петербургского Университета, серия 4 (Физика, Химия), вып. 2, р 12, hep-ph/0304295

15. C.M.G. Latters, Y. Fujimoto, S. Hasegawa, Phys. Rep. 65 (1980) 151

16. N. Armesto, D. Derkach, G.A. Feofilov, Ядерная Физика, 2008, том 71, №12, с. 2122-2131; Physics of Atomic Nuclei, 71,No.l2, 2087-2095(2008).

17. T. Anticic et al. (NA49 Collaboration), Phys. Rev. C70 (2004) 034902

18. A. Breakstone et al. (ABCDHW Collaboration), Phys. Lett. B132 (1983) 463

19. C. Albajar et al. (UA1 Collaboration), Nucl. Phys. B335 (1990) 261

20. F. Abe et al., Phys. Rev. Lett. 61 (1988) 1819

21. C. De Marzo et al., Phys. Rev. D29 (1984) 363

22. G. Arnison et al. (UA1 Collaboration), Phys. Lett. B118 (1982) 167

23. V.V. Aivazyan et al., Phys.Lett. B209 (1988) 103

24. T. Alexopoulos et al., Phys. Lett. B336 (1994) 599

25. T. Sjöstrand, L. Lönnblad, S. Mrenna, P. Skands, hep-ph/0308153

26. T. Sjöstrand, hep-ph/0611247, CERN-LCGAPP-2006-06, November 2006

27. D. Acosta et al., Phys. Rev. D 65 (2002) 072005;

28. M.A. Braun and C. Pajares, Phys. Lett. 287B (1992) 154

29. N.S. Amelin, N. Armesto, C. Pajares and D. Sousa, hep-ph/0103060

30. N. Amelin, N. Armesto, C. Pajares, D. Sousa, Eur. Phys. J. C 22, 149-163 (2001)

31. N.S. Amelin, M.A. Braun, C. Pajares, Z. Phys. C63 (1994) 507-516

32. N. Amelin, N. Armesto, C. Pajares, D. Sousa, Eur. Phys. J C22 (2001) 149-163

33. N.S. Amelin, M.A. Braun and C. Pajares, Phys. Lett. B306 (1993) 312;

34. N. Armesto, M.A. Braun, E.G. Ferreiro and C. Pajares, Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 3736;

35. Bialas A, Bleszynski M, Czyz W, 976 Nucl.Phys. B 111 461

36. Wong Cheuk-Yin, 1994, Introduction to High-Energy Heavy-Ion Collisions World Scientific Singapoure-new Jersey-London-Hong Kong

37. G.Feofilov and A.Ivanov, Journal of Physics Conference Series, 5, (2005)230-237

38. Иванов А. С., Феофилов Г. А. Вестник СПбГУ, Сер. 4 2009. Вып. 3 117

39. Particle Data Group, Review of Particle Physics, 1998 The European Phys. Journ. С 3 203 and 207

40. P.V. Chliapnikov, V.A. Uvarov, Phys.Lett. B251, 192 (1990).

41. B.Back et al. (PHOBOS), arXiv:nucl-ex/0301017

42. R.Nouicer (for the PHOBOS Collaboration), QM2005, Pseudorapidity Distributions of Charged Particles in d + Au and p + p Collisions at sqrt(s) = 200 GeV, arXiv:nucl-ex/0403033

43. С.De Marzo et al., Phys.Rev.D, Vol, 29 No.ll, (1984),2476-2482

44. LHC at CERN http://lhc.web.cern.ch/lhc/

45. ALICE at CERN LHC http://aliceinfo.cern.ch/

46. Програмный комплекс AliROOT http://aliceinfo.cern. ch/Offline/AliRoot/Manual.html

47. Распределенная вычислительная среда AliEn http: //alimonitor.cern.ch/map.j sp

48. The ALICE Collaboration, К Aamodt et al 2008 JINST 3 S08002

49. ALICE Collaboration, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 32 (2006) 1295-2040

50. Michael Schmelling, Nucl.Instrum.Meth. A340:400-412,199452. V. Blobel, hep-ex/0208022

51. Список модельных данных ALICE http:Walimonitor.cern. ch\jobdetails.j sp